Источник: Cahier Technique Schneider № 193 " Les techniques de coupure en MT " (p. 18 - 22)
Первыми начали применяться устройства, использующие метод отключения в воздухе при атмосферном давлении (электромагнитные выключатели).
Воздух при атмосферном давлении, несмотря на относительно низкую электрическую прочность и большую постоянную времени деионизации (10 мкс), может использоваться как среда отключения при значениях напряжения порядка до 20 кВ. При этом во избежание теплового пробоя необходимо обеспечить достаточную мощность охлаждения и большое напряжение дуги после прохождения тока через нуль.
3.2.1 Механизм отключения в воздухе
Принцип заключается в сохранении дуги в течение довольно короткого промежутка времени, пока ток имеет большую силу, чтобы ограничить рассеиваемую энергию, а затем в удлинении дуги только перед прохождением тока через нуль.
Этот принцип привел к созданию для каждого полюса устройства дугогасительной камеры. Речь идет об объеме вблизи промежутка между контактами, разделенном огнеупорными перегородками (пластины, обладающие высокой способностью накапливать тепловую энергию) (рис. 23), между которыми дуга растягивается.
Рис. 23 - Растяжение электрической дуги между огнеупорными керамическими перегородками дугогасительной камеры выключателя для отключения в воздухе (выключатель типа Solеnarc, продукция Merlin Gerin)
На практике, при уменьшении силы тока электрическая дуга под действием электромагнитных сил затягивается между перегородками. Дуга растягивается и охлаждается при контакте с огнеупорным материалом, пока напряжение дуги не станет больше напряжения сети, и, вследствие чего, сопротивление дуги резко возрастает. При этом мощность, подаваемая на дугу от сети, по- прежнему остается меньше мощности охлаждения - происходит успешное отключение. Из-за продолжительной постоянной времени деионизации при использовании этого метода рассеиваемая энергия дуги остается большой. При этом, риск возникновения перенапряжения при отключении почти нулевой.
Рисунок 24 - Сравнительные характеристики : а) идеального устройства ; б) устройства отключения в воздухе
3.2.2 Основные характеристики устройства отключения в воздухе
Размер дугогасительной камеры определяется, главным образом, в зависимости от мощности короткого замыкания сети (в МВА).
В устройствах типа Solеnarc очень большая длина дуги (несколько метров при 24 кВ) достигается в приемлемом объеме благодаря созданию дуги в форме соленоида. С учетом требуемой скорости размыкания контактов, составляющей несколько метров в секунду, энергия управления равна нескольким сотням джоулей.
3.2.3 Области применения устройств отключения в воздухе
Этот тип устройств широко используется во многих областях, но по-прежнему существует ограничение на его использование на напряжение свыше 24 кВ. Для более высоких напряжений отключение производится в среде сжатого воздуха, чтобы увеличить электрическую прочность и скорость охлаждения и деионизации. При этом гашение дуги производится дутьем под высоким давлением (20 – 40 бар). Эта технология была использована для быстродействующих выключателей или при повышенном напряжении (до 800 кВ).
В сетях низкого напряжения (НН) технология отключения в воздухе при атмосферном давлении примененяется из-за простоты, стойкости, отсутствия перенапряжений и их ограничивающего действия.
В сетях среднего напряжения (СН) предпочтительно использовать другие методы, так как отключение в воздухе имеет ряд недостатков:
- габариты оборудования (выбор устройств большего размера для обеспечения растяжения дуги);
- влияние металлических перегородок ячейки и влажности воздуха на отключающую способность устройств;
- затраты на оборудование и создаваемый оборудованием шум.
В настоящее время выключатели, используемые для отключения в воздухе в сетях среднего напряжения, практически, не производятся.
Масло, которое раньше уже применялось в качестве изоляционного материала, с начала прошлого века стало использоваться как среда отключения, так как эта технология позволяла создавать относительно простое и экономичное оборудование. Масляные выключатели использовались, главным образом, для напряжений от 5 до 15 кВ.
3.3.1 Принцип действия
Контакты погружены в диэлектрическое масло. В момент размыкания контактов под воздействием электрической дуги происходит разложение масла с выделением водорода (70%), этилена (20%), метана (10%) и свободного углерода. Энергия дуги в 100 кДж производит примерно 10 л этих газов. Эти газы образуют пузырь, который под действием инерции массы масла находится в течение времени отключения под динамическим давлением, которое может достигать 50 – 100 бар. Когда ток проходит через нуль давление газа снижается, и происходит гашение дуги дутьем.
Водород, выделившийся в результате разложения масла, служит дугогасительной средой. Водород является хорошим дугогасительным веществом благодаря его тепловым свойствам и его постоянной деионизации, которая лучше этой характеристики в воздушной среде, в частности, в условиях повышенного давления.
3.3.2 Различные методы отключения в масле
1. Выключатели с большим объемом масла
В первых устройствах с использованием масла электрическая дуга свободно возникала между контактами, образуя пузырьки газа без их удержания. Во избежание возникновения дуги между фазами или между выводами и корпусом, эти пузырьки не должны ни в коем случае касаться бака или соединяться ( рис. 25).
Следовательно, устройства, сконструированные с учетом этих условий, имеют очень большие размеры. Помимо значительных габаритов, эти устройства имеют другие многочисленные недостатки, например, невозможность обеспечения достаточной безопасности из-за того, что выделяемый водород скапливается под крышкой, повышенные требования к проведению технического обслуживания для контроля чистоты масла и сохранения электроизоляционных свойств.
Для устранения этих недостатков (недостаточная безопасность, громоздкие размеры оборудования) были разработаны малообъемные масляные выключатели.
2 Малообъемные масляные выключатели
Электрическая дуга и пузырь газа удерживаются в масляном баке. Давление газа повышается, когда дуга последовательно проходит через камеры, а затем, при прохождении тока через нуль, давление снижается через сопло в зоне дуги. В результате происходит резкое гашение дутьем, что обеспечивает восстановление электроизоляционных свойств между контактами.
Рис. 25 - Пузырьки газа, образующиеся в начале замыкания фазы на корпус при отключении в выключателе с большим объемом масла
Влияние значения тока на отключающую способность. При больших значениях тока наблюдается значительное выделение водорода и повышение давления. Как следствие, время горения дуги сравнительно мало.
Напротив, при малых значениях тока давление повышается незначительно и время дуги длительное. Время горения дуги увеличивается, достигая критических значений, и тогда уже становится трудно завершить отключение. Чтобы устранить этот недостаток, в конце хода можно использовать дополнительные устройства для дутья.
Основные характеристики малообъемных масляных выключателей. Значение тока короткого замыкания или номинального тока определяет выбор минимального диаметра подвижного контакта. Длина дугогасительной камеры и ход подвижной части почти пропорциональны приложенному напряжению.
Чтобы избежать избыточного давления, минимальное время горения дуги при отключении тока большой силы должно быть меньше 10 мс и не должно превышать 40 мс для критического тока.
Кроме того, изолирующая оболочка дугогасительной камеры должна быть рассчитана на очень высокое давление, создаваемое в результате неустраненных коротких замыканий, так как на то, чтобы снизить давление, требуется примерно одна секунда.
Однако, несмотря на использование небольшого количества масла, в этой технологии все же имеются некоторые недостатки:
- разложение масла является необратимым процессом;
- разложение масла и износ контактов пагубно влияют на электрическую прочность, что, в свою очередь, вызывает необходимость дополнительных затрат на техническое обслуживание;
- в случае быстрого повторного включения полюс остается под повышенным давлением, и его отключающая способность ухудшается;
- полностью не исключен риск взрыва и воспламенения.
3.3.3 Области применения метода отключения в масле
Эта технология очень широко использовалась во многих областях, в том числе на транспорте и в энергетике.
Постепенно данный метод вытесняется технологиями отключения в вакууме и в элегазе, которые не имеют недостатков, описанных в предыдущих пунктах.
Электроизоляционные свойства вакуума известны давно и используются, например, в колбах рентгеновских трубок. Вакуум в отключающих устройствах использовался с 1920 года, но по причине ограниченных технологических возможностей эффективное использование вакуума в промышленном масштабе началось только с 1960 года. В 70-е годы вакуумные технологии получают все большее распространение в силу преимуществ, которые они обеспечивают: малые габариты оборудования, большая безопасность и более высокая износостойкость.
3.4.1 Электроизоляционные свойства вакуума
Вакуум является идеальной диэлектрической средой: в нем нет материала, соответственно, нет и электрической проводимости. Однако вакуум никогда не бывает идеальным и в любом случае имеет предел электрической прочности. Несмотря ни на что , истинный " вакуум " обладает уникальными свойствами : под давлением 0.000001 бар электрическая прочность в однородном поле может достигать пикового напряжения 200 кВ при расстоянии между электродами 12 мм.
Механизм возникновения электрического пробоя в вакууме связан с явлениями автоэлектронной эмиссии, которая не сопровождается лавинной ионизацией. Поэтому электрическая прочность в вакууме практически не зависит от давления, если давление не превышает? 0.000001 бар. Таким образом, электрическая прочность обуславливается составом используемых материалов, формой электродов (в частности, наличием шероховатостей на их поверхности) и расстоянием между электродами.
Характер кривой, отражающей зависимость напряжения пробоя от интервала между контактами (рис. 21), показывает, почему область применения вакуума остается ограниченной по напряжению. В действительности, расстояние, необходимое для обеспечения электрической прочности, очень быстро увеличивается, как только напряжение становится больше 30 – 50 кВ, в результате данный метод становится недоступным с точки зрения затрат по сравнению с другими технологиями. Кроме того, при повышении напряжения возникает рентгеновское излучение.
3.4.2 Механизм отключения в вакууме
Отключение в вакууме является довольно специфичным процессом в силу совершенно особых характеристик электрической дуги в вакууме.
Электрическая дуга в вакууме. Столб электрической дуги состоит из паров металла и электронов, выпускаемых электродами, в других методах отключения, описанных выше, этот столб, в основном, состоит из ионизированного газа находящегося в пространстве между контактами.Электрическая дуга может двух видов, сфокусированная и диффузная, в зависимости от силы тока в дуге.
При больших значениях тока (? 10 000 А) дуга является единственной и сфокусированной, как в обычных жидкостных средах (рисунок 26а). Катодные и анодные пятна размером в несколько ?мм?^2 нагреваются до очень большой температуры. Тонкий слой контактного материала испаряется, и в атмосфере паров металла возникает электрическая дуга, которая занимает все пространство. При уменьшении тока эти пары конденсируются непосредственно на электродах или на установленных для этого металлических экранах. В этом режиме напряжение дуги может достигать 200 В.
При значениях тока меньше нескольких тысяч ампер эта дуга имеет диффузную форму. Она состоит из нескольких отдельных дуг, отделенных друг от друга, конической формы, с вершиной на катоде (рис. 26, б). Катодные основания этих дуг, называемые пятнами, имеют очень маленькую поверхность (0.00001), и плотность тока в этих пятнах очень высокая (от 0.00001 до 0.0000001). Из - за очень высокой локальной температуры (3000К) возникает интенсивная комбинированная термоэлектронная/автоэлектронная эмиссия, в результате чего начинается процесс испарения контактного материала. При этом ток создается, в основном, потоком электронов.
Положительные ионы металла, выделяемые катодом, обладают такой кинетической энергией (30 – 50 эВ), что способны занять все пространство до анода. Таким образом, они нейтрализуют пространственные заряды между контактами, чем объясняется малый градиент потенциала и низкое напряжение дуги (до 80 В).
Рис. 26 - Дуга в режиме фокусировки (а) и в режиме диффузии (б)
Прохождение тока через нуль. В режиме диффузии дуги, либо сразу же, либо после возникновения единственной и сфокусированной дуги, но через достаточный промежуток времени, чтобы пары металла сконденсировались, происходит успешное отключение при прохождении тока через нуль.
В действительности, при подходе к нулю количество пятен уменьшается, и остается последнее, которое исчезает, когда энергии, создаваемой дугой, становится недостаточно, чтобы поддерживать довольно высокую температуру основания дуги. Резкое гашение последнего пятна вызывает явление обрыва тока, часто встречаемые при использовании этой технологии.
Следует отметить, что при инверсии напряжения анод становится катодом, но холодным, а значит не в состоянии излучать электроны, что соответствует крайне малой постоянной времени деионизации. Следовательно, вакуумные устройства способны отключать ток при очень быстром повышении напряжения TTR, а также ток высокой частоты. При больших значениях тока в момент прохождения через нуль в пространстве между контактами может еще оставаться плазма дуги, и в этом случае отключение может быть ненадежным. Таким образом, на отключающую способность (PdC), в основном, влияет плотность остаточных паров металла.
Явления повторного зажигания и повторного пробоя. Эти явления возникают, когда контакты выделяют слишком много паров металла. Считается, что если плотность паров после прохождения тока через нуль превышает 10000000000000000000000/m3, вероятность отключения, практически, равна нулю.
В целом, эти явления сложно воспроизвести и смоделировать. Требуется выполнить многократные испытания, чтобы проверить конструктивные решения. В частности, можно наблюдать позднее повреждение изоляции после отключения, возможно, неустойчивое, связанное с наличием частиц или конденсата металла.